Il nucleo della Terra: cosa c’è al centro e come facciamo a saperlo?

Quando il pioniere della fantascienza Jules Verne scrisse Viaggio al centro della Terra nel 1864, probabilmente sapeva che la sua trama era pura fantasia. I personaggi di Verne riuscirono a scendere solo di qualche chilometro, ma l’idea che qualcuno potesse anche solo contemplare l’idea di viaggiare fino al centro della Terra era già stata scartata prima dell’epoca vittoriana.

In effetti, ancora oggi, la più lontana perforazione della Terra è di circa 12 km, mentre la distanza dal centro è oltre 500 volte superiore, a 6.370 km.

Come facciamo quindi a sapere cosa si trova sotto? Capire cosa c’è nel cuore del nostro pianeta è stato un magnifico rompicapo scientifico.

Come facciamo a sapere che la Terra è rotonda?

L’idea che la Terra abbia un centro significativo va di pari passo con il fatto che il pianeta abbia la forma di una palla, e sappiamo da molto tempo che non viviamo su un disco.

È un mito che la gente del Medioevo pensasse che la Terra fosse piatta – questo in realtà deriva da un mix di propaganda antireligiosa vittoriana e da un’errata interpretazione delle mappe stilizzate dell’epoca.

È stato più di 2.200 anni fa che il polimaco greco Eratostene ha fatto la prima misurazione della distanza intorno alla sfera terrestre, e da allora è stato chiaro che deve avere un centro.

Questo non significa, però, che i primi filosofi pensassero alla Terra come facciamo noi oggi.

La fisica greca antica diceva che il mondo consisteva in una serie di sfere concentriche di quattro elementi fondamentali: terra, acqua, aria e, infine, fuoco.

In questa immagine scientifica più antica, il centro del pianeta doveva essere solido, poiché l’aria non poteva stare dentro la sfera della terra.

E’ chiaro che la sfera terrestre non era completamente circondata dall’acqua, altrimenti non ci sarebbe stata terraferma, quindi si pensava che ci fosse un pezzo di terra che sporgeva, il che significava che poteva esserci un solo continente.

Di conseguenza, la scoperta delle Americhe fu, di fatto, uno dei primi risultati scientifici sperimentali, che smentì l’idea di un solo continente, e segnò un passo significativo sulla strada per andare oltre il pensiero scientifico dell’antica Grecia.

L’idea che la Terra sia interamente cava, o con vaste caverne che arrivano al centro come nel libro di Verne, è stata popolare nella narrativa e nella mitologia fin dai tempi antichi, anche in pseudoscienza e teorie di cospirazione.

Tuttavia, non è chiaro se uno scienziato, a parte l’astronomo Edmond Halley, che nel 1692 propose una Terra cava per spiegare alcune insolite letture della bussola, abbia mai preso sul serio questa idea.

E nel 1798, uno scienziato ed eccentrico inglese mise l’ultimo chiodo sulla bara dell’ipotesi della “Terra cava”. Si fa avanti Henry Cavendish, con un esperimento per pesare accuratamente il pianeta.

Quanto pesa la Terra?

Cavendish era un uomo strano, che comunicava con i suoi servitori solo tramite appunti per evitare di incontrarli faccia a faccia.

Nonostante il suo background aristocratico, Cavendish dedicò la sua vita alla scienza, lavorando sia in chimica che in fisica, e il più famoso ideò un esperimento per calcolare la densità della Terra.

Utilizzando una semplice bilancia di torsione, che misurava la quantità di forza di torsione causata dall’attrazione gravitazionale di due grandi palle su una coppia più piccola, Cavendish fu in grado di calcolare la debole attrazione gravitazionale tra le due coppie di palle.

Confrontando questo dato con l’attrazione gravitazionale della Terra, poté calcolare la densità del pianeta (e, poiché la dimensione della Terra era già nota, anche la sua massa).

Ma il dato della densità mostrava che il nostro pianeta doveva essere per lo più solido, a meno che non ci fossero materiali sconosciuti estremamente densi da qualche parte nelle profondità.

Come facciamo a sapere cosa c’è nel nucleo della Terra?

Oggi dividiamo le viscere della Terra in tre segmenti: la crosta, che è lo strato più esterno, con uno spessore tra i 5 km e i 75 km, il mantello, che si estende fino ad una profondità di circa 2.900 km, con lo spessore del nucleo – la parte che ci interessa qui – che si estende per circa 3.500 km dal centro della Terra, con due segmenti distinti.

Al cuore del nucleo si trova una sfera di nichel-ferro estremamente calda ma ancora solida, con un raggio di circa 1.200 km. A circa 5.400°C, questo nucleo interno ha una temperatura simile a quella della superficie del Sole. Il resto è il nucleo esterno liquido della Terra, fatto principalmente di nichel-ferro, con temperature simili, che diventano più calde verso il centro.

Ma come possiamo conoscere tali dettagli su un luogo che è così inaccessibile?

Data la quasi impossibilità di arrivare anche solo a mille chilometri dal nucleo, tutta la nostra conoscenza è indiretta e dipende dalla sismologia – la scienza dei terremoti.

Dopo un terremoto, le onde sismiche viaggiano attraverso la Terra, cambiando forma e direzione a seconda dei materiali che attraversano. I geofisici hanno usato queste informazioni per dedurre cosa si trova nel nucleo della Terra.

I loro sismometri, dispositivi per misurare tali onde, sono l’equivalente di telescopi per esplorare l’interno della Terra.

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All’inizio del XX secolo, l’aumento delle temperature man mano che si scavava più a fondo nella Terra, combinato con l’analisi delle onde terrestri da parte dei sismologi, suggerì che le parti interne del nostro pianeta erano almeno in parte fuse – abbastanza calde da trasformare la roccia e il metallo in liquido.

E le scoperte chiave furono fatte da due scienziati che, vergognosamente, non furono mai nominati per un premio Nobel: Il geologo britannico Richard Oldham e la sismologa danese Inge Lehmann.

Cosa possono dirci le onde sulla struttura della Terra?

Pensando a un’onda, probabilmente penserete a un’onda superficiale, come quelle che si vedono sul mare. Ma molte onde – il suono, per esempio – viaggiano attraverso il corpo di un materiale.

Anche se le onde sismiche che causano danni in un terremoto sono quelle che viaggiano in superficie, ci sono anche due tipi di ‘onde del corpo’ che si muovono attraverso la Terra. Le onde P (“P” sta per “primaria”) sono onde longitudinali, proprio come il suono.

Vibrano nella direzione del movimento, causando lo schiacciamento e l’espansione della Terra al loro passaggio.

Le onde P viaggiano rapidamente – circa 5 km al secondo in una roccia come il granito, e fino a 14 km al secondo nelle parti più dense del mantello.

Il secondo tipo di onde corporee, le onde S (‘S’ sta per ‘secondarie’), sono onde trasversali più lente, che si muovono da un lato all’altro. A differenza delle onde P, non possono viaggiare attraverso un liquido, ed è per questo che questi due tipi di onde si sono rivelati essenziali per aiutarci a capire il nucleo della Terra.

Immaginate che ci sia un enorme terremoto. Le onde iniziano a muoversi attraverso la Terra.

Le onde P scattano in avanti, mentre le onde S seguono a circa metà della velocità. Entrambi i tipi di onde saranno rilevati dai sismometri, che sono usati per misurare le vibrazioni del terreno, in tutta la Terra.

Ma dove le onde passano attraverso il nucleo per raggiungere una stazione di misurazione lontana, c’è una cosiddetta zona d’ombra. Viaggia a circa 104° intorno al perimetro della Terra dall’epicentro del terremoto e le onde scompaiono. Ma da 140° in poi, le onde P ricompaiono, senza onde S di accompagnamento.

Già nel 1906, Richard Oldham si rese conto delle implicazioni di questa strana ombra. Oldham ha trascorso la maggior parte della sua carriera con il Geological Survey of India, lavorando spesso sull’Himalaya.

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Quando si ritirò nel Regno Unito nel 1903, fece uso dei dati accumulati negli anni precedenti per sondare l’interno della Terra. Si rese conto che il comportamento osservato delle onde P e S poteva essere spiegato se il centro della Terra era liquido.

In tal caso, le onde P sarebbero state rifratte dal liquido, piegando come fa la luce quando passa dall’acqua all’aria, lasciando un’ombra particolare. Le onde S, al contrario, sarebbero fermate interamente da un nucleo liquido.

La scoperta di Oldham portò ad un’immagine ampiamente accettata di un nucleo fuso, ma 30 anni dopo, Inge Lehmann si rese conto che l’idea di Oldham era troppo semplice.

La rifrazione delle onde P da parte del liquido denso al centro della Terra avrebbe dovuto produrre un’ombra totale.

In realtà, le misure effettuate con i sismometri più sensibili disponibili al tempo di Lehmann mostravano che deboli onde P arrivavano ancora nella zona d’ombra.

Studiando i dati che attraversavano il pianeta da un terremoto in Nuova Zelanda del 1929, Lehmann propose che queste onde venivano riflesse dal confine tra un nucleo solido interno e il liquido esterno.

I suoi risultati, pubblicati nel 1936, furono confermati due anni dopo da Beno Gutenberg e Charles Richter, che modellarono accuratamente gli effetti di un nucleo solido.

Misure dirette di queste onde sismiche riflesse arrivarono finalmente nel 1970.

Di cosa è fatto il nucleo della Terra?

Studi successivi hanno rilevato onde ancora più sottili che, dal loro arrivo ritardato, dovevano aver attraversato il nucleo esterno liquido come onde P, prima di essere convertite in onde S trasversali nel nucleo interno, e poi di nuovo in onde P all’uscita.

Questa scoperta, confermata solo nel 2005, è stata un’ulteriore prova del nucleo solido.

Anche così, l’esatta natura del nucleo interno è soggetta a notevoli discussioni. Le temperature, per esempio, possono essere elaborate solo da studi sperimentali su come i materiali si fondono e solidificano sotto pressione.

In realtà l’ipotesi che il nucleo sia costituito principalmente da ferro e nichel deriva da una combinazione della frequenza con cui i diversi elementi si presentano nella nostra regione locale della Via Lattea e dalla nostra comprensione di come si è formato il nostro pianeta.

Sotto l’immensa pressione al centro della Terra – oltre tre milioni di volte la pressione atmosferica – i materiali possono agire in modo molto diverso dalle condizioni normali.

Mentre il contendente più ovvio per il nucleo interno è una lega solida di nichel e ferro, è possibile che un plasma estremamente denso – lo stato della materia che si trova in una stella – abbia proprietà simili. Una delle difficoltà in questo caso è sapere come si comportano i materiali in ambienti così estremi.

Entrare nella cella a incudine di diamante.

In questo notevole dispositivo, le punte di due diamanti, solo una frazione di millimetro di diametro, sono schiacciate insieme.

Applicare una forza a una piccola area produce più pressione che applicarla a una larga – ecco perché essere calpestati da un tacco a spillo è molto più doloroso di una suola piatta.

L’incudine di diamante crea pressioni fino al doppio di quelle del nucleo della Terra, e il riscaldamento viene applicato usando il laser.

Quando campioni metallici vengono schiacciati e riscaldati in condizioni simili al nucleo, i risultati suggeriscono un solido cristallino al centro della Terra.

Realisticamente, non ci avvicineremo mai al nucleo della Terra.

I livelli di calore, pressione e radioattività (una delle principali fonti di riscaldamento interno) sono così alti che anche se potessimo perforare oltre 6.000 km di roccia e metallo, una sonda non sarebbe in grado di sopravvivere.

Paragonato al raggiungimento del nucleo, viaggiare verso l’esterno del sistema solare è banale.

Ma le vibrazioni del nostro pianeta, prodotte dai terremoti e interpretate da scienziati geniali come Inge Lehmann, ci danno i mezzi per esplorare con la mente dove non visiteremo mai di persona.

• Questo articolo è apparso per la prima volta nel numero 304 di BBC Focus

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